Термины и понятия: половой процесс; гамета; яйцеклетка; сперматозоид; зигота; конъюгация; копуляция; гермафродит.
Что такое половое размножение. Половое размножение присуще всем многоклеточным организмам, у которых происходит чередование гаплоидной и диплоидной фаз (вспомните, что такое гаметофит и спорофит растений). Это процесс, который представляет собой воспроизведение организмами подобных себе организмов с помощью специальных половых клеток — гамет (от греч. гамете — супруга). В отличие от свойственных растениям и грибам диплоидных или гаплоидных одноклеточных спор из которых непосредственно развиваются новые организмы, гаметы гаплоидны. Чтобы дать начало новому диплоидному организму, они должны вначале слиться друг с другом (определите, какое ещё свойство спор не характерно для гамет). Это слияние гамет называют половым процессом.
При этом мелкая подвижная гамета — сперматозоид (от греч. сперматос — семена, зон — жизнь и еос — вид) проникает внутрь огромной неподвижной яйцеклетки (яйцеклетка человека превосходит сперматозоид в миллионы раз). В результате образуется зигота (от греч. зиготос — удвоенный), из которой и развивается новый организм. Грандиозные размеры яйцеклеток (рис. 4) связаны с тем, что в их цитоплазме содержится огромное количество желтка — всевозможных включений питательных веществ, необходимых как источник энергии на первых этапах развития зиготы. Таким образом, ключевым процессом полового размножения является оплодотворение — слияние двух половых клеток, когда ядра гамет, сливаясь, образуют одно общее ядро зиготы.
У всех многоклеточных животных, высших растений и многих грибов гаметы заметно отличаются друг от друга. Их легко разделить на неподвижные женские яйцеклетки и мелкие, чаще всего подвижные мужские сперматозоиды. Правда, у семенных растений мужские гаметы — спермии — не имеют жгутиков и доставляются к яйцеклетке с помощью пыльцевой трубки. Однако у самых примитивных организмов, размножающихся половым путём, например, некоторых водорослей, половые клетки внешне ничем не отличаются друг от друга, и разделить их на мужские и женские можно только условно.
Организмы, производящие мужские гаметы — сперматозоиды, принято считать особями мужского пола (у животных их называют самцами и обозначают значком ♂ а организмы, продуцирующие яйцеклетки — особями женского пола (у животных их называют самками и обозначают значком ♀. Половые клетки развиваются в специальных органах. У животных мужские половые органы — семенники, женские — яичники. Растения в процессе эволюции утратили половые органы. Поэтому у покрытосеменных спермии образуются в мужских гаметофитах — пыльцевых зёрнах, а яйцеклетки — в женских гаметофитах — зародышевых мешках (вспомните, где располагается зародышевый мешок).
Самое интересное, что раздельнополость — свойство далеко не всех организмов. Грибы и большая часть видов высших растений (вспомните: большинство видов голосеменных и покрытосеменных — однодомные растения) — обоеполые существа, а значит, у них нет разделения на мужские и женские особи: один и тот же организм продуцирует и женские, и мужские гаметы. У животных обоеполых особей (рис. 5) принято называть гермафродитами (от греч. Гермафродит — сын Гермеса и Афродиты). Причём у плоских червей (планарий, сосальщиков, цепней) женские и мужские гаметы одновременно образуются в яичниках и семенниках. Брюхоногие моллюски в течение жизни меняют свою половую ориентацию. Прудовик большой вначале — самец, а затем одновременно и самец, и самка. При этом женские и мужские гаметы у него продуцирует одна и та же гермафродитная половая железа. Высокоорганизованным животным обоеполость не свойственна. У насекомых и позвоночных особи-гермафродиты встречаются крайне редко; они не способны дать потомство.
Рис. 5. Гермафродитные животные: а — ленточный червь — лентец широкий; б — дождевой червь обыкновенный; в — пресноводный моллюск — прудовик большой; г — наземный моллюск — улитка виноградная.
Правильно ли считать половой процесс синонимом полового размножения. В разговорной речи часто отождествляют половой процесс и половое размножение, но это не одно и то же. У ряда организмов, для которых обязателен половой процесс, размножение происходит исключительно бесполым путем. К таким существам относят многих одноклеточных. Половой процесс инфузорий и бактерий, называемый конъюгацией (от лат. конъюгацио — соединение), заключается в передаче генетического материала от одной особи к другой. При этом не происходит увеличения числа особей. К такому результату приводят только следующие за половым процессом клеточные деления. Также не сопровождается увеличением числа особей и копуляция (от лат. копуляцио — соединение) — слияние двух одноклеточных организмов в один. Этот тип полового процесса наблюдается у малярийного плазмодия (вспомните цикл развития этого паразита) и у одноклеточных грибов — дрожжей (рис. 6). Эти одноклеточные организмы также размножаются только бесполым путём — множественным делением образовавшейся при слиянии зиготы. (Копуляцией также называют половой процесс многоклеточных животных, связанный с внутренним оплодотворением, которое осуществляется специальными копулятивными органами путём введения самцами половых продуктов внутрь тела самок.)
Воспроизведение многоклеточных организмов, тело которых построено из миллионов и миллиардов клеток, путём слияния отдельных половых клеток является очень производительным, так как всегда приводит к первоначальному увеличению количества особей в каждом последующем поколении (вспомните, сколько сперматозоидов образуется у мужчины и сколько яйцеклеток вызревает в организме женщины), а потому с полным основанием называется размножением.
Преимущества полового размножения. Даже беглый обзор способов размножения разных групп организмов показывает, что в процессе эволюции бесполое размножение уступает место половому. Действительно, бесполое размножение — это обязательный атрибут всех одноклеточных организмов, грибов, водорослей и споровых растений, а также самых примитивных многоклеточных животных. Семенные растения уже теряют способность к размножению спорами, а многие из них даже не способны к вегетативному размножению. Высокоорганизованные животные вообще воспроизводятся только половым путём. С чем же связаны преимущества полового размножения? Почему самые совершенные организмы предпочли размножаться с помощью гамет, а не частями тела или спорами?
Рис. 6. Копуляция и образование зиготы у одноклеточной водоросли хламидомонады: 1 — образование гамет; 2 — выход гамет; 3-4 — копуляция (слияние) гамет; 5 — зигота; 6 — распад зиготы на четыре дочерние особи; 7 — взрослая особь.
В отличие от бесполого размножения, которое, по сути, представляет собой процесс копирования исходного материнского организма в ряду поколений, при половом способе воспроизводства каждая особь является уникальной. Это связано с тем, что в процессе образования гаплоидных клеток (спор у растений или гамет у животных) происходит рекомбинация генетического материала родительской особи (вспомните, как происходит рекомбинация хромосом в мейозе и зачем нужен кроссинговер).
В результате, несмотря на то, что гаметы или споры образуются в одном организме, а некоторые даже берут начало от общей исходной материнской клетки, они отличаются друг от друга, так как несут каждая свою генетическую информацию. К тому же гаметы разных родителей, сливаясь друг с другом, образуют в зиготе совершенно новые генетические сочетания. В результате оказывается, что при половом способе размножения каждая особь приобретает «собственное лицо» — свой набор генов, который и определяет уникальность её строения (рис. 7) и функционирования.
Рис. 7. Уникальность лица каждого человека — результат индивидуального набора генов, который образуется вследствие полового размножения.
Это значит, что каждый организм обладает особыми биологическими свойствами. Одни особи лучше переносят жару, вторые — холод, третьи способны быстро размножаться, четвёртые оказываются устойчивыми к болезням. В результате при резком потеплении климата, экстремально суровых зимах или эпидемиях всегда находятся устойчивые к неблагоприятным факторам. Они выживают и дают начало новым генерациям. Когда ж наступают благоприятные условия, появляются новые лидеры, ценность которых состоит в иных способностях, например в быстром размножении.
Если при бесполом размножении каждый организм размножается без какого-либо участия особей своего вида, то при половом размножении все организмы, принадлежащие к одному и тому же виду, потенциально связаны «узами брака». Наследственные изменения, возникающие в генетическом аппарате и позволяющие организму иметь определённые преимущества по сравнению с другими особями своего вида, не только повышают его шансы на выживание, но и дают возможность оставить больше потомства с такими полезными свойствами.
Это ключевое положение современной биологии распространяется на организмы, размножающиеся как бесполым, так и половым путём. Однако обменяться полезными «приобретениями» бесполые организмы не могут. Зато это легко делают существа, размножающиеся половым путём. Поэтому, если генетические особенности одного животного организма, позволяющие ему, к примеру, переносить суровые зимы, у потомков объединяются с другими, не менее полезными, например переносимостью гельминтозов, то у него явно больше шансов выжить и оставить потомство, чем у предков, наделённых только одним из этих положительных свойств. Если к этому добавить, что при половом размножении количество потенциальных потомков во много раз больше, чем при бесполом (подумайте и сравните, сколько потомков может дать одно растение вегетативным размножением, а сколько — размножением семенами), то такие положительные изменения в ряду поколений будут накапливаться ещё быстрее. Это значит, что половое размножение даёт гораздо больше материала для эволюции, чем бесполое. Отсюда очевидно, что в эволюционном плане половое размножение имеет все преимущества перед бесполым, а потому самые высокоорганизованные, эволюционно продвинутые организмы на определённом этапе отказались от бесполого размножения.
Половое размножение — это воспроизведение организмами себе подобных организмов с помощью гамет, сопровождающееся половым процессом. Половое размножение встречается только у многоклеточных организмов, имеющих две фазы — гаплоидную и диплоидную. Преимущества этого способа размножения над бесполым связаны с тем, что потомство получает разнообразные свойства, которые существенно повышают устойчивость вида к изменчивым и неблагоприятным условиям среды обитания и даёт гораздо больше исходного материала для эволюции.
Проверьте себя
1.Что такое половое размножение? 2. В чём состоят особенности гермафродитизма плоских червей и брюхоногих моллюсков? 3. Всегда ли половой процесс связан с половым размножением?4. В чём преимущества полового размножения над бесполым?
Как вы считаете?
1. Почему у самых примитивных многоклеточных организмов гаметы не разделены на мужские и женские? 2. Почему у животных в процессе мейотических делений образуются гаметы, а у растений - споры?